oscilloscopio
Flg. 1 - Schema del complesso di prova impie¬
gato per le misure della flg. 2.
* di Edgar Vn.i.cnuit; tradotto da Electronics World, giugno 1962, pag. 27.
In UNA CATENA di elementi per la riproduzione sonora l’anello più debole è tuttora costituito probabilmente da¬
gli altoparlanti. In essi si riscontrano molti difetti: irregolarità della risposta di frequenza, gamma limitata e, quel che è peggio, distorsione armonica.
Negli altoparlanti si manifestano co¬
munemente livelli di distorsione che toglierebbero automaticamente la qua¬
lifica di « alta fedeltà » a ogni altro com¬
ponente. Tuttavia la distorsione negli altoparlanti è un soggetto su cui si è scritto poco, anche perché i dati di distorsione non sono pubblicati dai costruttori, ad eccezione di pochi casi.
Esistono vari motivi che giustificano questo fatto. Uno è che le percentuali di distorsione degli altoparlanti sono piuttosto alte. L’amatore dell’alta fe¬
deltà, che si occupa anche dei dati tec¬
nici indicati dai costruttori, è abituato a cifre di distorsione armonica degli amplificatori dell’ordine di piccole fra¬
zioni dell’l %. La scoperta che un al¬
toparlante, anche se di qualità, pre¬
senta percentuali di distorsione (per una parte della gamma di frequenza) parecchie volte maggiori, può lasciare l’amatore molto perplesso nell’acquisto.
Un’altra ragione, ancor più valida, è che le percentuali assolute di distorsione degli altoparlanti non hanno lo stesso si¬
gnificato come quelle degli amplifi¬
catori. La distorsione d’altoparlante si localizza preferibilmente in corri¬
spondenza a certe frequenze o a certe zone separate di frequenze e si mani¬
festa in pratica solo quando si tratta di musica; la distorsione negli ampli¬
ficatori è invece di solito meno discri¬
minativa. Inoltre i valori più alti della distorsione d’altoparlante sono quasi sempre nella gamma delle frequenze molto basse, dove la risposta può essere molto attenuata. In questo caso nel complesso del suono il contributo di una frequenza bassa risulta ridotto in uscita rispetto a quello in entrata, ed anche l’efìetto di distorsione viene pro¬
porzionalmente attenuato.
Quantunque diverse circostanze con¬
tribuiscano a mitigare gli effetti della distorsione, il confronto tra un alto- parlante a bassa distorsione e un altro a forte distorsione non lascia nell’ascol¬
tatore alcun dubbio sull’importanza primaria di questo elemento per una buona riproduzione musicale.
1. - LIVELLI DI DISTORSIONE NEGLI ALTOPARLANTI
Non è difficile esaminare il grado di di¬
storsione di un altoparlante, se si di¬
spone di un generatore di segnali audio, di un microfono e di un oscilloscopio.
Quando si possiede un buon riprodutto¬
re, al posto del generatore di segnali si può impiegare una registrazione con diverse frequenze di controllo. Il rap¬
porto di trasduzione del microfono e la sensibilità dell’oscilloscopio devono essere tali da fornire una traccia di di¬
mensioni sufficienti sullo schermo. Il risultato sarà tanto migliore quando più alta è la sensibilità dell’oscilloscopio e quanto più elevata la risposta del mi¬
crofono alle basse frequenze. Se il com¬
plesso microfono-oscilloscopio non for¬
nisce una traccia di ampiezza adeguata, tra le due unità deve essere inserito un amplificatore.
La figura 1 illustra il complesso neces¬
sario per l’esame. Alimentando il si¬
stema con una frequenza variabile da 30 a 60 Hz e con un livello sonoro corri¬
spondente a un volume alto, ma non eccessivo, si devono vedere delle onde sinusoidali perfette sullo schermo quan¬
do l’oscilloscopio è connesso all’uscita del generatore o dell’amplificatore.
Quando si collega l’oscilloscopio al microfono, ci si deve aspettare che la immagine cambi, anche radicalmente.
Nel migliore dei casi la traccia sullo schermo mostrerà, a un accurato esame, lievi irregolarità alle frequenze più basse; nel caso peggiore apparirà com¬
pletamente deformata. La prova con l’apparecchiatura descritta è stata ese¬
guita su un gruppo di altoparlanti cor¬
renti scelti a caso e impiegati così come erano stati montati per dimostrazione.
Nelle prove ogni altoparlante veniva a- limentato alle frequenze di 30 e di 40 Hz;
il livello in ingresso era tale da produrre un livello di uscita uguale per tutti. La potenza elettrica di ingresso necessaria per produrre il livello sonoro di riferi¬
mento variava da 2 a 20 W in funzione del rendimento dell’altoparlante e della frequenza. La fig. 2 mostra le fotogra¬
fie delle tracce sull’oscilloscopio rap¬
presentanti le forme d’onda in uscita di sette altoparlanti di prezzo diverso.
Le notevoli differenze di distorsione sono ovvie.
La distorsione dell’onda sinusoidale non rappresenta un semplice difetto tecni¬
co, bensì un fattore determinante per la qualità della riproduzione sonora, particolarmente in quei casi in cui la risposta a una fondamentale di frequen¬
za bassa contiene armoniche di am¬
piezza apprezzabile relativamente al li¬
vello di risposta alle frequenze medie.
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alta fedeltà
Fig. 2 - Fotografie di tracce oscilloscopiche rap¬
presentanti le uscite di sette altoparlanti diversi, alimentati in ingresso da onde sinusoidali di 30 e* di 40 Hz e per un uguale livello da cresta a cre¬
sta in uscita. I numeri sotto le tracce sono le indi¬
cazioni fornite dal misuratore di distorsione. È da? notare che l’uscita dell’altoparlante G, per un ingresso di 30 Hz, è quasi un tono puro di 90 Hz (L’analizzatore di distorsione Hewlett-Packard misura il rapporto percentuale efficace tra le ar¬
moniche e il segnale complessivo. La distorsione armonica è espressa talvolta anche come il rap¬
porto percentuale delle armoniche rispetto alla fondamentale, metodo che aumenterebbe sostan¬
zialmente i valori per F e G),
Uno strano effetto della distorsione è quello di far apparire le note basse più vigorose, se pur nasali e legnose. Il confronto con una riproduzione indi¬
storta o con il suono originale rivele¬
rà con evidenza la caratteristica sostan¬
zialmente innaturale di queste note basse distorte. Questa tecnica di misura non è rigorosa ma è sufficientemente precisa per definire bordine di gran¬
dezza della distorsione armonica dei bassi, in particolare quando diversi al¬
toparlanti vengono via via sostituiti nel complesso di prova.
I risultati indicati in fig. 2 sono concor¬
di col poco materiale pubblicato sull’ar- gomento. Nel 1956 la « Audio League » scriveva: « I sistemi di altoparlante che producano molto meno del 30% di di¬
storsione a 30 Hz (ai livelli di prova usati dall'Audio League) sono rari ».
In un’altra pubblicazione, relativa a una serie di studi su quindici al¬
toparlanti, si indicavano valori simili per le misure della distorsione armonica dei bassi. A una frequenza di 50 Hz e tenendo lo stesso livello sonoro per ogni altoparlante, la distorsione misu¬
rata variava dal 2 al 43%. La potenza di ingresso necessaria per raggiungere quel determinato livello variava fino a 20 W, in dipendenza del rendimento dell’altoparlante. Si può supporre che questi indici di distorsione si sarebbero raddoppiati a 30 Hz. La distorsione nelle gamme delle note medie e alte è per¬
centualmente ridotta e richiede tecni¬
che di misura più accurate, quantunque i suoi effetti siano altrettanto sgradevo¬
li dal punto di vista della qualità. Non sono però facilmente identificabili sotto forma di alterazioni della forma d’onda sullo schermo di un oscilloscopio.
2. - CAUSE DELLA DISTORSIO¬
NE D’ALTOPARLANTE
La distorsione d’altoparlante alle basse frequenze deriva da due cause fonda- mentali, entrambe imputabili alla ele¬
vata ampiezza delle escursioni della bo¬
bina mobile. Per fornire una potenza di uscita costante, le escursioni del cono nella gamma dei bassi devono quadru¬
plicare a ogni diminuzione di un’ottava.
Le due cause di distorsione sono: la non linearità di risposta alle sollecitazioni delle sospensioni del cono e la non uni¬
formità del campo magnetico lungo il tragitto percorso dalla bobina mobile.
Alle frequenze più alte divengono inve¬
ce prevalenti le risonanze meccaniche di diverse parti del sistema.
La non linearità che presentano le so¬
spensioni meccaniche è una caratteri¬
stica posseduta in diverso grado da tutti i materiali elastici. Le sospen¬
sioni vengono sollecitate a trazione dalla spinta della bobina mobile e la loro rigidità elastica aumenta via via con lo stiramento. Oltre a un certo punto esse non possono cedere senza strapparsi. Ciò significa che il cono compie spostamenti proporzionalmente
lineari al segnale applicato fino a un certo limite, ma verso le estremità della escursione possibile (cioè in corrispon¬
denza ai massimi e ai minimi del segna¬
le) compie spostamenti proporzional¬
mente minori. Poiché lo stesso feno¬
meno ha luogo per entrambe le estremi¬
tà della escursione, la forma d’onda di¬
storta tende ad essere simmetrica, ciò che fa prevedere una distorsione ar¬
monica di grado dispari. La componen¬
te armonica preminente è di solito la terza.
La seconda causa di distorsione delle escursioni ampie (non uniformità del campo magnetico lungo il tragitto della bobina mobile) agisce anch’essa nel senso di ridurre simmetricamente le creste del segnale sonoro. Quando la bobina mobile si è portata in avanti come rappresentato in fig. 3, solo una metà delle sue spire è immersa nel campo magnetico del traferro (il flusso disperso altera un po’ questa situa¬
zione). La forza sulla bobina mobile è considerevolmente indebolita in pro¬
porzione al valore del segnale. Anche in questo caso il percorso del cono viene ridotto nelle posizioni estreme e appare di nuovo la distorsione dovuta alla terza armonica.
Si noterà che alcune delle forme d’onda di fig. 2 sono asimmetriche, il ché in¬
dica una distorsione di grado pari piut¬
tosto che di grado dispari. Questo di¬
pende dalle sospensioni meccaniche che iniziano a irrigidirsi in una direzione dopo un percorso del cono minore che nella direzione opposta, oppure dal fatto che la bobina mobile non è cen¬
trata longitudinalmente nel campo ma¬
gnetico.
4. - ACCORGIMENTI CONTRO LA DISTORSIONE
In generale esistono due vie per ridurre la distorsione d’altoparlante nella gam- ga dei bassi. L’una consiste nel ridurre il più possibile l’escursione necessaria per produrre un determinato livello di suono in bassa frequenza e la seconda nel creare un altoparlante capace di eseguire in maniera lineare le ampie escursioni necessarie. Il primo e più antico di questi due metodi impiega un dispositivo di accoppiamento acu¬
stico (una tromba o un risonatore) da interporre tra il diaframma dell’alto¬
parlante e l’aria dell’ambiente.
Con la tromba l’efficienza di accoppia¬
mento tra il cono e l’ambiente viene migliorata; un determinato livello di energia a bassa frequenza può essere irradiato con movimenti del cono più corti. Anche nelle condizioni di potenza massima, le sospensioni del cono non vengono sollecitate più di tanto e la bobina mobile non si sposta molto al di fuori del traferro, cosicché la distor¬
sione si riduce, talvolta drasticamente.
Una variante di questo accorgimento consiste nell’uso dì più altoparlanti grandi, per aumentare l’area del cono
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Fig. 3 - Soltanto metà delle spire della bobina mobile rimane nel campo magnetico del traferro.
Fig. 4 - Sostituzione di una sospensione meccani¬
ca con un sistema di sospensione acustica, indi¬
cato in (B), onde ridurre la distorsione d’alto¬
parlante.
e accrescere l’accoppiamento altopar¬
lante-ambiente.
Sfortunatamente una tromba cessa di caricare il cono al di sotto della frequen¬
za di taglio dei bassi, che è situata in un punto inversamente proporzionale al grado di espansione della bocca della tromba. L’area deila bocca deve essere molto ampia anche per evitare riso¬
nanze dei singoli elementi. La soluzione di entrambi questi problemi comporta una tromba di dimensioni notevoli.
Di risonatori acustici ne sono stati im¬
piegati diversi tipi, ma di gran lunga il migliore è il bass reflex utilizzante un risonatore classico di Helmholtz (come opposto al tipo di risonatore a canna d’organo). Una discussione particola¬
reggiata del funzionamento della cassa del bass reflex non è qui possibile, ma è sufficiente dire che in un sistema sin¬
tonizzato e smorzato in maniera ade¬
guata, i piccoli movimenti del cono nella gamma dei bassi producono ampi movimenti relativi della massa d’aria racchiusa. Una determinata escursione del cono è perciò associata a una mag¬
giore energia irradiata dal sistema.
Come nel caso della tromba, si eleva la efficienza di accoppiamento tra il cono e l’ambiente.
I problemi principali associati al pro¬
getto di un bass-reflex sono quelli de¬
rivanti dall’uso di un elemento antiri¬
sonante. Gli elementi risonanti devono essere evitati o perlomeno accurata¬
mente controllati. L’altoparlante e la cassa devono essere adeguati l’uno al¬
l'altra, altrimenti l’aumento di ac¬
coppiamento si avrà per determinate frequenze invece che per tutta la gam¬
ma dei bassi.
La seconda via per ridurre le distorsioni (impiego di un altoparlante a radiazione diretta che non utilizzi un mezzo ausi¬
liario di accoppiamento per ridurre le escursioni, ma che sia capace di ese¬
guire con linearità anche le escursioni ampie) richiede particolari cure per il sistema di sospensione.
Sono state usate finora diverse confi¬
gurazioni di sospensione, che consen¬
tono sollecitazioni ampie senza irrigi¬
dirsi verso l’estremità della sollecita¬
zione. Oltre alla centratura della bo¬
bina mobile e del cono, queste sospen¬
sioni dovevano provvedere a una se¬
conda funzione: fornire la forza di ri¬
chiamo per il cono.
Un nuovo sistema di sospensione mi¬
rante a eliminare la non linearità di ri¬
sposta segue una via diversa per la creazione della forza di richiamo. Quale sorgente di questa forza viene utiliz¬
zata, in sostituzione della sospensione meccanica, una molla di aria costituita dal volume di aria racchiuso dalle pa¬
reti della cassa. Non si può tuttavia ri¬
nunciare alla sospensione meccanica, perché questa deve ancora soddisfare la funzione di centratura; può essere però realizzata così flessibile che il problema della non linearità di risposta è in pra¬
tica eliminato.
La forza di richiamo della molla di aria varia in modo lineare secondo il grado di compressione a cui viene assogget¬
tata; ci si può quindi aspettare movi¬
menti del cono anche ampi senza di¬
storsione. Diviene allora importante creare un campo magnetico uniforme lungo il tragitto percorso dalla bobina mobile in modo da eliminare anche la seconda causa di distorsione. Ciò si ottiene costruendo la bobina pili lunga del traferro, cosicché in questo rimane sempre lo stesso numero di spire anche quando ia bobina si muove in senso assiale.
La fig. 6 rappresenta la distorsione in funzione della frequenza (una misura valida della distorsione d’altoparlante deve fare riferimento alla gamma di frequenze servita) per un sistema di so¬
spensione acustica, in cui una bobina mobile lunga 1" scorre in un traferro lungo 1 2" fornendo un campo magne¬
tico uniforme per escursioni della bo¬
bina inferiori a 1/2". La traccia di oscilloscopio indicata in fig. 6 è relativa all’uscita dall’altoparlante di un’onda di 30 Hz applicata all’ingresso con un livello di 20 W. In ogni istante metà delle spire della bobina mobile sono inattive (non tenendo conto del campo disperso), cioè metà della tensione del segnale disponibile all’uscita dell’am¬
plificatore si localizza su una parte inef¬
ficace della bobina. Sprecare metà della tensione significa sprecare tre quarti della potenza disponibile. Il sovradi- mensionamento della bobina è il prin¬
cipale responsabile del rendimento elet¬
troacustico relativamente basso degli altoparlanti provvisti di sospensione acustica. Il rendimento viene in questo caso sacrificato a favore di una dimi¬
nuzione della distorsione.
5. - MISURE PRECISE DI DI¬
STORSIONE
I livelli di distorsione delle note basse negli altoparlanti sono generalmente abbastanza grandi, cosicché i metodi non rigorosi descritti all’inizio di que¬
st’articolo sono adeguati a rivelare l’or¬
dine di grandezza della distorsione, in particolare quando si confrontano al¬
toparlanti differenti. Quando si desi¬
dera una maggiore precisione, sono necessarie misure accurate in condi¬
zioni anecoiche ben definite, come è stato fatto per ottenere i dati di fig. 6.
Per le misure precise è necessario ri¬
spettare determinate condizioni rela¬
tivamente all’angolo solido e alla zona libera di irradiazione, e alla minima distanza tra altoparlante e microfono.
Aumentando l’angolo solido di diffusio¬
ne aumenta anche l’uscita dei bassi fon¬
damentali e diminuisce la distorsione.
L’ambiente acustico deve essere con¬
formato in modo da non provocare onde stazionarie, che possono influenzare se¬
riamente, in corrispondenzq al micro¬
fono, il rapporto fra l’intensità di suono
alta fedeltà
A B
Fig. 5 - (^4) Rappresentazione della distorsione dì un altoparlante per gli acuti scartato. La punta elevata a 1000 Hz è la fondamentale in uscita; le punte minori a destra indicano le armoniche di distorsione. {B) La traccia dell’onda sinusoidale
non rivela distorsione, ma la rappresentazione (C) di impulsi dì tono a 10,6 kHz mostra una vi¬
brazione residua inaccettabile. Le immagini (D), (E) e (P) sono relative ad un altoparlante per gli acuti accettabile dello stesso modello.
dovuta alla fondamentale e quella do¬
vuta alle armoniche. La distanza mi¬
crofono-altoparlante deve essere alme¬
no tre volte il diametro dell’area ra¬
diante allo scopo di evitare l'effetto del campo vicino, che non rappresenta con precisione l’energia sonora irra¬
diata.
6. - DISTORSIONE DELLE NO¬
TE ACUTE
La misura della distorsione degli acuti richiede una tecnica più sensibile di quella adottata per la gamma dei bassi.
Una distorsione percentuale delle note acute, anche molto piccola, può pro¬
durre un effetto sgradevole marcato a causa dell’ordine elevato delle armoni¬
che generate (quinta, settima ecc.), mentre una percentuale maggiore di distorsione delle armoniche di ordine inferiore può essere inudibile.
Gli apparecchi normali per la misura dell’intermodulazione non possono es¬
sere di ausilio perché la distanza tra le frequenze dei segnali di prova è molto grande, come si applicasse il segnale a frequenza minore a un altoparlante per i bassi e il segnale a frequenza più ele¬
vata a quello per gli acuti. Per defini¬
zione non può esistere intermodulazio¬
ne tra due segnali riprodotti attra¬
verso dispositivi distorcitori separati, e l’eccellente valore misurato con que¬
ste frequenze di prova non fa altro che rilevare semplicemente il beneficio di assegnare a ogni altoparlante parti di¬
verse dello spettro acustico per ridur¬
re la distorsione di intermodulazione.
La distorsione degli acuti può essere controllata con la tecnica di misura dell’intermodulazione suggerita dal CCIF, in cui lo spettro viene esplorato con frequenze di prova strettamente vicine. Entrambi i segnali di prova vengono allora riprodotti simultanea¬
mente dalla stessa unità d’altoparlante.
Un altro metodo abbastanza efficiente consiste nell’analizzare con l’ascolto il sistema d’altoparlante alimentato da un generatore di segnali sinusoidali di frequenza variabile. Anche se i risultati possono essere influenzati da un am¬
biente di ascolto non proprio adatto, l’orecchio è sorprendentemente preciso ed efficiente in questa applicazione.
Esso è di solito capace di rivelare di¬
storsioni delle note acute, prima che si rendano visibili sulla traccia dell’oscil¬
loscopio. L’orecchio fornisce una in¬
formazione migliore di un analizzatore che legga la distorsione armonica to¬
tale, perché quest’ultimo non può di¬
stinguere gli ordini della distorsione armonica come riesce a fare l’orecchio.
Gli altoparlanti per gli acuti non sono progettati per ricevere all’ingresso una eccessiva potenza elettrica dovuta a una sola frequenza. Un’entrata di 10 W a 10.000 Hz non riesce a creare, in un ambiente interno, un suono molto for¬
te anche se non esiste attenuazione, ma può danneggiare o distruggere l’alto¬
parlante degli acuti. È quindi opportu¬
no limitare a circa 5 W la potenza con-
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frequenza in H2
l'ig. 6 - Distorsione armonica per un sistema di mostra la forma d’onda in uscita per un ingresso sospensione acustica. La traccia oscilloscopica di 10 W a 30 Hz,
tinua all'ingresso. L'analizzatore im¬
piegato per produrre le rappresenta¬
zioni delle ligure 5A e 5D esplora l’alto¬
parlante su tutta la sua gamma di fre¬
quenze e ne rivela i differenti ordini della armoniche di distorsione. La fig. 5À è la fotografia dell’immagine al¬
l’uscita di un altoparlante degli acuti scartato per eccessiva distorsione. La punta a 1000 Hz rappresenta la risposta
l’uscita di un altoparlante degli acuti scartato per eccessiva distorsione. La punta a 1000 Hz rappresenta la risposta